Kamery C1+ s CMOS senzory s globální závěrkou mohou pracovat pouze s napájením z USB kabelu. Nicméně, některé funkce jsou k dispozici pouze pokud je připojeno externí napájení 12 V DC. Pokud kamera C1+ pracuje jen s napájením z USB, její funkce odpovídají kamerám C1:

• Snímání obrazů.

• Pointace montáže dalekohledu přes 6-pinový „autoguider“ konektor.

Pokud je připojeno 12 V DC napájení, funkce kamer C1+ je rozšířena o:

• Aktivní a regulované chlazení senzoru Peltiérovými články.

• Schopnost ovládat filtrové kolo.

Kamery C1+ s CMOS senzory s rolující závěrkou ke své práci vždy vyřadují připojené 12 V DC napájení.

Přesto kamery C1+ postrádají některé funkce, které jsou k dispozici u větších a také těžších kamer C2:

• Kamery C1+ nemají mechanickou závěrku, nezbytnou pro automatické pořizování temných a bias snímků, zejména u vzdálených nebo plně robotických sestav.

• V kamerách C1+ nemůže být interní filtrové kolo.

• Účinnost chlazení je u kamer C1+ mírně menší než je tomu u kamer C2, rozdíl absolutních teplot senzoru je ale jen několik stupňů Celsia.

Mechanický návrh této série kamer ji činí kompatibilní s širokou škálou adaptérů pro dalekohledy a objektivy, externími filtrovými koly, Ethernet adaptéry apod.

Bohatá programová podpora a množství ovladačů dovoluje použití kamer C1+ bez nutnosti investovat do programů 3. stran zejména díky zdarma přiloženém programu pro ovládání kamer a řízení pozorování SIPS. Ovladače ASCOM (pro Windows) a INDI (pro Linux), dodávané s kamerou, umožňují integrovat kameru do řady dalších ovládacích programů.

Kamery C1+ jsou navrženy pro spolupráci s řídicím počítačem (PC). Na rozdíl od např. digitálních fotoaparátů, které pracují nezávisle na počítači, vědecké kamery obvykle vyžadují počítač pro řízení práce, stahování, zpracování a ukládání snímků atd. K ovládání kamery je zapotřebí počítač, který:

1. Je kompatibilní se standardem PC a provozuje moderní 32 nebo 64 bitový operační systém Windows.

2. Je kompatibilní se standardem PC a provozuje 32 nebo 64 bitový operační systém Linux.

   Poznámka:

   K dispozici jsou ovladače pro 32 bitové i 64 bitové systémy Linux, ale program pro ovládání kamer a zpracování snímků SIPS, dodávaný spolu s kamerami, vyžaduje operační systém Windows.

3. Podporovány jsou také počítače Apple Macintosh s procesory x64.

   Poznámka:

   Na počítačích Mac jsou v současné době podporovány jen některé aplikace.

Kamery C1 používají ke spojení s řídicím PC rozhraní USB 3.0, pracujícím na rychlosti 5 Gbps. Jsou ale také kompatibilní s rozhraním a kabely USB 2.0.

Alternativně je možné použít rozhraní Moravian Camera Ethernet Adapter. Tento adaptér dokáže připojit až 4 kamery série Cx (s CMOS snímači) nebo Gx (s CCD snímači) a nabízí 1 Gbps a 10/100 Mbps rozhraní Ethernet pro přímé spojení s řídicím počítačem. Protože počítač pak s kamerami komunikuje protokolem TCP/IP, je možné do cesty vložit např. WiFi most nebo jiné síťové zařízení.

Poznamenejme, že kamera musí být připojena k nějakému optickému systému (např. k dalekohledu), aby mohla vracet snímky. Kamera dokáže exponovat dlouhou dobu, nezbytnou k zachycení velmi slabých objektů. Pokud má být kamera používána s dalekohledem, musí být celá sestava dalekohledu a montáže schopná plynule sledovat objekt po obloze během dlouhých expozic.

Systém kamer C1+

Hlava kamery C1+ je navržena aby byla co nejmenší při zachování veškeré funkčnosti, zejména účinného chlazení se senzorem v hermetické komoře.

Kamery C1+ jsou vybaveny seřiditelnými adaptéry dalekohledů a objektivů a také závitovými otvory pro uchycení na stativ nebo ribinu pro upevnění na montáž. Kamery C1+ jsou také kompatibilní s externími filtrovými koly kamer C2 — hlava kamery obsahuje konektor pro jejich ovládání. Pokud je použito externí kolo, mechanismus seřizování optické osy na kameře není použit a k seřizování je použit mechanismus na externím kole. Kamery C1+ tedy mohou používat velké množství adaptérů pro dalekohledy včetně off-axis guider adaptérů apod.

Pro kamery C1+ jsou k dispozici dva typy filtrových kol, každé z nich schopné pojmout několik různých velikostí filtrů:

• Extra malé „XS“ kolo pro 8 filtrů D31 mm bez objímky nebo v 1,25” závitových objímkách.

• Extra malé „XS“ kolo pro 7 filtrů D36 mm bez objímky.

• Malé „S“ kolo pro 12 filtrů D31 mm bez objímky nebo v 1,25” závitových objímkách.

• Malé „S“ kolo pro 10 filtrů D36 mm bez objímky.

• Malé „S“ kolo pro 7 filtrů D50 mm nebo 2" bez objímky nebo v 2” závitových objímkách.

Komponenty systému kamer C1+ zahrnují:

1. Hlava kamery C1+ s adaptérem kompatibilním s C1 se závitem M42 × 0,75, vzdálenost ohniskové roviny (BFD) 18,5 mm

2. Hlava kamery C1+ s adaptérem kompatibilním s C2 se čtyřmi závitovými otvory M3 vzdálenými 44 mm a závitem M48 × 0,75, BFD 16,5 mm

   Poznámka:

   Tento adaptér bez pružiny a červíků funguje jako základ pro uchycení externích filtrových kol.

3. Externí filtrové kolo velikosti „XS“ (7 nebo 8 pozic)

4. Externí filtrové kolo velikosti „S“ (10 nebo 12 pozic)

5. Pointační kamera C1

   Poznámka:

   Kamery C1 jsou zcela nezávislá zařízení s vlastním USB rozhraním pro připojení k řídicímu PC. Mohou být použity buď s mimo-osým pointačním adaptérem C2 OAG nebo na samostatném pointačním dalekohledu.

   Kamery C1 mohou sdílet stejnou jednotku Moravian Camera Ethernet Adapter s až 3 dalšími kamerami série Cx a tak mohou být zpřístupněny přes TPCP/IP síť.

6. OAG adaptér se závitem M48 × 0.75 nebo M42 × 0,75 (T2)

7. Adaptér pro objektivy Nikon kompatibilní s C1

8. Adaptér pro objektivy Canon EOS kompatibilní s C1

9. Adaptér M42 × 0.75 (T-závit), 55 mm BFD, kompatibilní s C1

10. Adaptér M48 × 0.75, 55 mm BFD, kompatibilní s C1

11. Adaptér M42 × 0.75 (T-závit) nebo M48 × 0.75, 55 mm BFD, kompatibilní s C2

12. Adaptér pro objektivy Canon EOS kompatibilní s C2

13. Adaptér pro objektivy Nikon kompatibilní s C2

14. Gx Camera Ethernet Adapter (x86 CPU)

15. Gx Camera Ethernet Adapter (ARM CPU)

    Poznámka:

    Moravian Camera Ethernet Adapter dovoluje připojení až 4 kamer Cx libovolného typu na jedné straně a 1 Gbps Ethernet rozhraní na druhé straně. Tento adaptér umožňuje připojení kamer Cx směrovatelným protokolem TCP/IP na prakticky neomezenou vzdálenost.

16. Externí filtrové kolo „XS“ s 8 pozicemi pro 1.25”/D31 mm filtry

17. Externí filtrové kolo „XS“ se 7 pozicemi pro D36 mm filtry

18. Externí filtrové kolo „S“ s 12 pozicemi pro 1.25”/D31 mm filtry

19. Externí filtrové kolo „S“ s 10 pozicemi pro D36 mm filtry

20. Externí filtrové kolo „S“ se 7 pozicemi pro 2”/D50 mm filtry

Kamery C1+ s globální závěrkou

Kamery C1+ s CMOS snímači Sony IMX s globální závěrkou mají čtvercovými pixely velikosti 3,45 × 3,45 μm nebo 4,50 × 4,50 μm.

Všechny použité senzory jsou vybaveny tzv. „globální závěrkou“. To znamená, že všechny pixely obrazu jsou exponovány ve stejný čas, na rozdíl od senzorů s tzv. „rolující závěrkou“, které exponují jednotlivé řádky obrazu jeden po druhém. Pro dlouhé expozice statických objektů v tom není rozdíl, ale při snímání pohybujících se objektů krátkými časy způsobují senzory s rolující závěrkou deformace obrazu.

K dispozici jsou tři řady kamer C1+, lišící se dynamickými rozsahy (bitovou hloubkou digitalizovaných pixelů) a velikostí pixelů:

• Kamery C1+ se senzory Sony IMX s 3,45 × 3,45 μm pixely, podporujícími 8 a 12 bitovou digitalizaci. Protože každý 12 bitový pixel zabere při přenosu do PC dva byte, stažená 12 bitového snímku zabere delší čas než stažení 8 bitového snímku. Maximální FPS je v 8 bitovém módu podstatě vyšší.

• Kamery C1+ se senzory Sony IMX s 3,45 × 3,45 μm pixely, podporujícími jen 12 bitovou digitalizaci. Pro dlouhé expozice (astronomická fotografie, vědecký výzkum) je vždy používána přesnější 12 bitová digitalizace a nižší doba stažení snímku v 8 bitovém módu tak jako tak není využívána. Jestliže jsou všechny ostatní parametry kamer stejné (rozměry senzoru, rozlišení, velikost pixelu, šum, …), nižší cena těchto kamer tak může být velice atraktivní.

• Kamery C1+ se senzory Sony IMX s 4,50 × 4,50 μm pixely a pouze 12 bitovou digitalizací. Větší pixely znamenají větší dynamický rozsah (do každého pixelu se vejde více elektronů než pixel saturuje), ale také vyšší čtecí šum. Přesto je teoretický maximální poměr signál/šum prakticky stejný díky většímu signálu, který kamera dokáže akumulovat. Tyto kamery jsou také vhodnější pro dalekohledy s delšími ohnisky, kde malé pixely vedou na zbytečně převzorkované snímky, a také pro vědecké aplikace, kde je dynamický rozsah velmi důležitý.

Kamery C1+ s 3,45 × 3,45 μm pixely a 8 bitovou i 12 bitovou digitalizací:

Kamery C1+ s 3,45 × 3,45 μm pixely a pouze 12 bitovou digitalizací:

Kamery C1+ s 4,50 × 4,50 μm pixely a pouze 12 bitovou digitalizací:

Elektronika kamery

Hlavní role elektroniky CMOS kamery, mimo inicializace a ovládání některých pomocných funkcí, je přenos dat z CMOS detektoru do řídicího PC ke zpracování a ukládání. Na rozdíl od kamer s CCD detektory, návrh kamery s CMOS čipy nedokáže ovlivnit řadu důležitých parametrů, jako např. dynamický rozsah (počet bitů na pixel).

Linearita senzoru

Odezva senzoru na světlo je velmi lineární. To znamená, že kamera může být použita také pro nenáročné výzkumné projekty, jako je např. fotometrie jasných proměnných hvězd apod.

Rychlost stahování

Již bylo uvedeno že existují dvě série kamer C1+, lišících se použitými senzory. První série s 3,45 × 3,45 μm pixely nabízí čtyři čtecí módy:

• 8 bitový pomalý mód s rychlostí digitalizace ~132 MPx/s

• 12 bitový pomalý mód s rychlostí digitalizace ~72 MPx/s

• 8 bitový rychlý mód s rychlostí digitalizace ~263 MPx/s

• 12 bitový rychlý mód s rychlostí digitalizace ~132 MPx/s

„A“ verze kamer C1+ s 3,45 × 3,45 μm pixely nabízí pouze jeden čtecí mód:

• 12 bitový rychlý mód s rychlostí digitalizace ~132 MPx/s

A „A“ verze kamer C1+ s 4,50 × 4,50 μm pixely nabízí také jeden čtecí mód:

• 12 bitový rychlý mód s rychlostí digitalizace ~151 MPx/s

Výše uvedené rychlosti digitalizace jsou platné pro USB 3.0 připojení. Také poznamenejme, že časy stahování snímků nevedou automaticky na odpovídající počet snímků za sekundu (FPS), protože stažený snímek je zpracován a zobrazen, což rovněž spotřebovává čas. Tento čas je zanedbatelný, pokud kamera potřebuje na stažení snímku sekundy nebo i desítky sekund. Ale v případě rychlé CMOS kamery je čas potřebný ke zpracování snímku v PC (např. výpočet směrodatné odchylky snímku apod.) významný a může být delší než skutečná doba stahování.

Zisk kamery

Senzory použité v kamerách C1+ nabízí programovatelné zesílení 0 do 24 dB, což znamená násobení výstupního signálu 1× až 15,9×. Zesílení může být nastavováno s krokem 0,1 dB.

Převodový poměr a čtecí šum

Obecně řada vlastností senzoru závisí na zesílení. Dále tedy uvádíme parametry současně pro minimální i maximální zesílení.

Parametry kamery se senzory o velikosti pixelu 3,45 × 3,45 μm:

Parametry kamery se senzory o velikosti pixelu 4,50 × 4,50 μm:

Ovládání expozice

Kamery C1+ jsou schopny velice krátkých expozic. Nejkratší expoziční doba je 125 μs (1/8000 sekundy). To je současně také krok, v němž je délka expozice zadávána. Tedy druhá nejkratší expozice tedy je 250 μs atd.

Ovládání dlouhých expozic je ovládáno z řídicího PC a pro maximální délku expozice neexistuje žádný limit. Ve skutečnosti je nejdelší expozice omezena saturací senzoru buď dopadajícím světlem nebo temným proudem (viz. následující podkapitola).

Kamery C1+ s rolující závěrkou

Série kamer C1+ s CMOS senzory Sony IMX s rolující závěrkou obsahují senzory ze dvou rozdílných rodin, lišící se velikostí pixelu i dynamickým rozsahem.

Na rozdíl od senzorů s globální závěrkou, senzory s rolující závěrkou exponují jednotlivé řádky sekvenčně.

Elektronika kamery

Ovládání senzorů s rolující závěrkou se podstatně liší od senzorů s globální závěrkou a tedy i elektronika kamery se hodně liší v závislosti na typu kamery.

Kamery C1+ obsahují 256 MB paměti, do které je možné uložit až 14 snímků v plném rozlišení u kamery C1+9000 a 2 snímky u kamery C1+46000. API kamery umožňuje sekvenční expozice, během kterých je možné ukládat snímky do paměti rychleji, než je řídicí počítač dokáže vyčítat. Sekvenční expozice jsou přerušeny, když je interní paměť zaplněna snímky, které ještě nebyly přečteny řídicím PC. Jak bylo vysvětleno dříve, senzory s rolující závěrkou jsou schopny zahájit expozici snímku zatímco předchozí snímek je teprve digitalizován.

Linearita senzoru

Odezva senzorů, použitých v kamerách C1, na světlo je velmi lineární. To znamená, že kamera může být použita i pro náročné výzkumné projekty, jako je např. fotometrie proměnných hvězd a tranzitujících exoplanet apod.

Rychlost stahování

Kamery C1+ jsou vybaveny pamětí RAM, schopnou pojmout několik snímků v plném rozlišení. Stahování snímku do řídicího počítače je tak zcela nezávislé na procesu digitalizace, protože stahování pouze přenáší již digitalizovaný obraz z paměti kamery.

Čas potřebný ke stažení celého snímku závisí na použitém čtecím módu a také zda je použito rychlé rozhraní USB3 nebo pomalejší USB2:

Pokud je čten pouze výřez snímku kamery C1+9000, čas digitalizace a stažení klesá. Rychlost ale není přímo úměrná počtu pixelů vzhledem k určité fixní režii, nezávislé na velikosti čtené oblasti.

Zrychlení čtení není u kamery C1+46000 tak závislé na velikosti podrámce kvůli omezením velikosti podrámce daným samotným senzorem, ale přesto je významné.

Elektronika kamer C1+ podporuje 2 × 2 binning v elektronice kamery (hardware binning). Pokud je tento mód použitý, rychlost stahování se zvýší, protože z kamery do PC je přenášeno méně dat.

Rychlost stahování snímků přes Moravian Camera Ethernet Adapter závisí jestli je použit 100 Mbps nebo 1 Gbps Ethernet, jestli je kamera k zařízení Ethernet Adapter připojena přes USB 2 nebo USB 3 a také je ovlivňována vytížením Ethernet linky atd. Při použití přímé 1 Gbps Ethernet linky a USB 3 je doba stažení snímku z kamery C1+9000 menší než 0,5 s.

Zisk kamery C1+9000

Senzor s rolující závěrkou, použitý v kamerách C1+9000, nabízí programovatelné zesílení 0 do 36 dB, což znamená násobení výstupního signálu 1× až 63×.

Ovladač kamery akceptuje zesílení v rozsahu 0 až 4030, což odpovídá přímo hodnotám registrů senzoru. Toto číslo ale nereprezentuje zesílení ani v dB ani nevyjadřuje přímo násobek. Nicméně ovladač kamery nabízí funkci, která toto číslo převede současně na zesílení v dB a také na násobek zesílení. Některé vybrané hodnoty jsou v následující tabulce:

Zisk kamery C2-46000

Kamera C1+46000 nabízí programovatelné zesílení 0 do 16 dB, což znamená násobení výstupního signálu 1× až 6,5×.

Ovladač kamery akceptuje zesílení v rozsahu 0 až 500, což odpovídá přímo hodnotám registrů senzoru. Toto číslo ale nereprezentuje zesílení ani v dB ani nevyjadřuje přímo násobek. Nicméně ovladač kamery nabízí funkci, která toto číslo převede současně na zesílení v dB a také na násobek zesílení. Některé vybrané hodnoty jsou v následující tabulce:

Převodový poměr a čtecí šum kamery C1+9000

Obecně řada vlastností senzoru závisí na zesílení. Senzory použité v kameře C1+9000 také obsahují dvě digitalizační cesty. Jedna cesta nabízí velice nízký čtecí šum, ale nedokáže využít plný dynamický rozsah pixelů. Další digitalizační cesta je schopná zužitkovat plnou kapacitu pixelu, ale za cenu mírně vyššího čtecího šumu. Zlomový bod nastává při zesílené 3× (asi 10 dB), kde kapacita pixelu klesne z více jak 50 ke- na ~17 ke-. Čtecí šum poté klesne z ~3,2 e- RMS na ~1,5 e- RMS.

Dynamický rozsah senzoru, definovaný jako poměr mezi plnou kapacitou pixelu a čtecím šumem, je největší při použití zesílení 0, i když je čtecí šum mírně větší:

• Při zesílení 0 je dynamický rozsah 50 800 / 3,81 = 13 333×

• Při zesílení 2750 je dynamický rozsah 16 500 / 1,55 = 10 645×

Také stojí za zmínku, že v reálných situacích není spodní hladina šumu vždy definována čtecím šumem. Pokud kamera není používána s velmi úzkým úzko-pásmovým filtrem (s FWHM jen několik nm) a pod velmi tmavou oblohou, dominantní zdroj šumu bývá jas oblohy. Pokud šum způsobený jasem oblohy přesáhne asi 4 e- RMS, extrémně nízký čtecí šum, spojený s použitím zesílení 2750 a více, není využit a dynamický rozsah je zbytečně omezen omezenou kapacitou pixelu.

Jaké zesílení je tedy nejlépe použít? To záleží na konkrétní aplikaci.

• Zesílení nastavené na 2750 může být použito při snímání přes úzko-pásmové filtry s přiměřeně krátkými expozicemi, aby šum generovaný jasem oblohy nepřesáhl čtecí šum. To je typické pro estetickou astro-fotografii, kde menší kapacity pixelu neomezuje kvalitu výsledných snímků.

  Ale i bez úzko-pásmových filtrů dovoluje extrémně nízký čtecí šum sčítat větší množství kratších expozic, aniž by šum pozadí výsledných snímků neúměrně rostl díky akumulaci vysokého čtecího šumu jednotlivých snímků.

• Zesílení 0 nabízí nejvyšší dynamický rozsah senzoru, což bývá důležité zejména ve výzkumných aplikacích. Pásma propustnosti filtrů používaných ve fotometrii jsou relativně široká a dominantním zdrojem šumu je jas oblohy.

  Ale také při snímání přes RGB filtry při pořizování estetických astro-fotografií může vyšší dynamický rozsah dovolovat použití delších expozic, aniž by docházelo k saturaci jasných částí snímaných galaxií nebo mlhovin, což zabraňuje jejich dalším zpracování.

Převodový poměr a čtecí šum kamery C1+46000

Čtecí šum a kapacita pixelu závisí na použitém zesílení.

Binning

Ovladač kamery a uživatelské aplikace nabízejí velké množství kombinací módů binningu až do 4 × 4 pixelů, stejně jako asymetrické módy binningu 1 × 2, 1 × 3, 1 × 4, 2 × 4 atd. Aby byla umožněna taková flexibilita, binning je prováděn v ovladači kamery (programový binning) a nespoléhá na omezené možnosti hardware senzoru.

Nevýhoda programového binningu je stejný čas stažení snímku jako je tomu u plného rozlišení v módu 1 × 1. Pro typické použitá v astronomii, malý zlomek sekundy navíc k času stažení je irelevantní, ale pro aplikace citlivé na dobu stažení může být 2 × 2 binning v hardware kamery užitečný.

Binning v hardware

Kamery C1+9000 implementují kromě plného rozlišení (binning 1 × 1) ve svém hardware také 2 × 2 binning.

Binning v kameře může být zapnut parametrem HWBinning v konfiguračním souboru 'cXusb.ini', který je umístěn ve stejném adresáři jako je samotná DLL ovladače 'cXusb.dll'.

[driver]
HWBinning = true

Pokud je parametr HWBinning nastaven na true, používá se binning v hardware kamery. Tento mód přináší rychlejší stahování, ale také zavádí několik omezení:

1. Maximální binning je omeze na 2 × 2, vyšší módy binningu nejsou k dispozici.

2. Asymetrické módy binningu (1 × 2, 2 × 1, ...) nejsou podporovány.

Sčítání nebo průměrování pixelů

Tradiční význam anglického „pixel binning“ znamená sčítání sousedních pixelů. To pochází od CCD senzorů, kde byl náboj v jednotlivých pixelech doslova sléván dohromady v horizontálním registru nebo ve výstupním uzlu snímače. Binning u CMOS senzorů se může chvat rozdílně, pixely mohou být sčítány, ale také průměrovány.

Teoreticky je výsledný poměr signál/šum (S/N) binnovaného pixelu stejný bez ohledu na to, jestli jsou pixely sčítány nebo průměrovány. Uvažme příklad binningu 2 × 2:

• Pokud sečteme 4 pixely, signál se zvětší 4× a šum se zvětší 2× — tři aditivní operace zvětší šum √((√2)^2+(√2)^2 ). Výsledný S/N je 2× větší, ale pouze pokud součet všech pixelů nepřeteče kapacity výsledného pixelu.

• Pokud zprůměrujeme 4 pixely, signál zůstane stejný, ale šum se zmenší na 1/2, protože i šum je průměrován √((√2)^2+(√2)^2 )/4. Výsledný S/N je opět 2× větší, ale pouze pokud šum neklesne pod teoretické minimum 1 bitu dynamického rozlišení.

Ale v reálných senzorech může být výsledný poměr signál/šum ovlivněn přetečením (saturací) výsledného pixelu, pokud jsou pixely sčítány, nebo podtečením čtecího šumu (poklesem pod 1 bit), pokud jsou průměrovány.

Zatímco větší sourozenci kamery C1+9000 (C1×, C3 a C5) používají CMOS senzory s plně 16 bitovým dynamickým rozsahem, senzor použitý v kameře C1+9000 nabízí maximálně 14 bitový rozsah. Tedy je možné sečíst až 4 pixely (2 × 2 binning) a výsledný pixel stále nemůže přetéct dynamický rozsah 2 byte výsledného pixelu. Z tohoto důvodu je pro binning u kamery C2-9000 standardně používáno sčítání pixelů na místo průměrování, a to u programového binningu i pokud je binning prováděn v hardware kamery.

Nicméně, programový i hardware binning může být přepnut na sčítání pixelů parametrem BinningSum v konfiguračním souboru ovladače 'cXusb.ini':

[driver]
BinningSum = true

Poznamenejme, že existuje ještě jedna možnost binnování pixelů — v aplikačním programu. V tomto případě není binning prováděn ani v hardware kamery, ani v jejím ovladači. Snímek s plným rozlišením je stažen a až aplikační program provede programový binning. Programový balík SIPS pixely při binningu sčítá a nikoliv průměruje, ale současně při tom převádí snímky z 16-bitového na 32-bitové rozlišení. To znamená, že S/N binnovaných snímků vždy roste, pixely nikdy nesaturují a současně čtecí šum nemůže dosáhnout dolního limitu. Nevýhodou tohoto způsobu je dvojnásobná délka výsledných snímků.

Binning ve fotometrii

Saturované pixely v obrazu jasných hvězd nepředstavují problém pro estetickou astro-fotografii, ale fotometrické měření je zcela neplatné pokud libovolný pixel v ploše měřeného objektu dosáhl maximální hodnoty, protože pak není možné učit kolik světelného toku bylo ztraceno. Programy zpracovávající fotometrii (např. nástroj Fotometrie programu SIPS) by měly saturované pixely detekovat a dané fotometrické měření označit za neplatné, aby se do světelné křivky nezaváděly chybné body.

Ale během binnování (ať už sčítáním nebo průměrováním) je informace o tom, že nějaký pixel dosáhl saturační úrovně, ztracena (s výjimkou kdy všechny binnované pixely jsou saturovány). Použití binningu ve výzkumných aplikacích (fotometrie a astrometrie) tedy může vést k chybám, způsobeným ztraceným světelným tokem u saturovaných pixelů, který ale není detekován programy provádějícími zpracování.

Z tohoto důvodu je chování programového i hardware binningu u kamer C3 konfigurovatelné dalším parametrem BinningSaturate konfiguračního souboru ovladače 'cXusb.ini':

[driver]
BinningSaturate = true

Pokud je parametr BinningSaturate nastaven na true, výsledný binnovaný pixel je saturován, pokud je saturován libovolný zdrojový pixel. Pro estetickou astro-fotografii může tento parametr zůstat na hodnotě false, což může vést k mírně lepšímu prokreslení jasných hvězd. Ale u vědeckých aplikací by tento parametr vždy měl být true.

Ovládání expozice

Nejkratší teoretický expoziční čas je 49 μs u kamery C1+9000 a 108 μs u kamery C1+46000. Nicméně, takto krátké expozice nemají mnoho praktických aplikací, speciálně v astronomii. Firmware kamery zaokrouhluje expoziční časy na 100 μs intervaly, tedy reálně je nejkratší expoziční čas kamery C1+9000 100 μs a u kamery C1+46000 je to 200 μs.

Pro maximální délku expozice neexistuje žádný limit. Ve skutečnosti je nejdelší expozice omezena saturací senzoru buď dopadajícím světlem nebo temným proudem (viz. následující podkapitola).

Chlazení a napájecí zdroj

Jak bylo zmíněno v úvodu, kamery C1+ dokáží pracovat pouze s napájením z USB kabelu. Kamera je pak schopná pořizovat snímky a ovládat (pointovat) montáž dalekohledu prostřednictvím “autoguider” portu. Nicméně aktivní chlazení senzoru (a také ovládání filtrového kola) je možné pouze pokud je přivedeno i externí napájení 12 V DC.

Regulované termoelektrické chlazení je schopné ochladit CMOS o více než 40 °C pod okolní teplotu. Horká strana Peltiérova článku je chlazena ventilátorem. Teplota senzoru je regulována s přesností +/-0,1 °C. Vysoký rozdíl teplot a přesná regulace zajišťují velmi nízký temný proud pro dlouhé expoziční časy a současně dovoluje správkou kalibraci snímků.

Hlava kamery obsahuje dva teplotní senzory — první měří přímo teplotu pouzdra CMOS senzoru, druhý měří teplotu uvnitř hlavu kamery.

Účinnost chlazení mírně závisí na množství tepla generovaného senzorem použitým v kameře:

• Obecně senzory s menším rozlišením generují méně tepla a tedy dosahují nižší teploty.

• „A“ verze kamer, používající senzory s omezenými čtecími módy, také generují méně tepla a dosahují nižších teplot.

Efektivita chlazení závisí na okolních podmínkách a také na napájejí kamery. Pokud napájecí napětí klesne pod 12 V, maximální rozdíl teplot se také sníží.

Napájecí zdroj

Napájení 12 V DC dovoluje kameře pracovat z jakéhokoliv (i nestabilizovaného) zdroje včetně baterií, síťových adaptérů apod. S kamerou je dodáván univerzální 100–240 V AC/50–60 Hz adaptér o výkonu 60 W. Ačkoliv spotřeba kamery nepřesahuje 25 W, zdroj s 60 W zajišťuje kvalitní napájení bez rušení a šumů.

„Autoguider“ konektor

Řada zejména masově vyráběných montáží hvězdářských dalekohledů není natolik precizní, aby udržela obraz hvězd perfektně kruhový během dlouhé expozice bez korekcí jejího chodu. Chlazené astronomické kamery a digitální zrcadlovky dovolují pořizovat perfektně ostré snímky s vysokým rozlišením, takže i malá nepravidelnost v chodu montáže se projeví deformací obrazu hvězd. Kamery C1+ byly navrhovány i pro automatické pointování montáží astronomických dalekohledů.

Kamery C1+ nemají mechanickou závěrku ani jinou pohyblivou součást (s výjimkou magneticky levitujícího ventilátoru). Elektronická závěrka dovoluje velmi krátké expozice a rovněž bez problémů zvládne pořízení tisíců snímků během krátké doby, což je nezbytné pro kvalitní pointaci.

Kamery C1+ pracují ve spolupráci s počítačem (PC). Korekce chodu montáže nejsou počítány ve vlastní kameře, ta jen odesílá snímky do řídicího počítače. Software pracující v PC poté spočítá rozdíl od požadovaného stavu a pošle korekce montáži dalekohledu. Výhodou použití PC k výpočtu korekcí je skutečnost, že současné počítače disponují výpočetním výkonem, který o mnoho řádů přesahuje výkon i toho nejlepšího procesoru zabudovaného v kameře. Algoritmy pointace pak mohou určit centroid hvězdy se sub-pixelovou přesností, mohou srovnávat více hvězd a tím omezit vliv seeingu apod.

Vypočítané korekce mohou být odeslány zpět montáži prostřednictvím komunikační linky mezi montáží a PC. Pokud ale řídicí jednotka montáže nepodporuje tuto funkci (příkazy „Pulse Guide“) lze použít tzv. „Autoguider“ portu. Stačí spojit kameru C1+ s montáží 6 žilovým kabelem a řídit montáž prostřednictvím kamery.

Maximální proud, který může každý pin kamery C1+ spínat, je 400 mA. Pokud montáž nepracuje s autoguider portem jako s logickými vstupy, ale spíná jimi přímo korekční motory, musí být mezi kameru C1 a montáž vřazen reléový oddělovač, který bezpečně zaručuje spínání motorů montáže.

Autoguider port odpovídá de-facto standardu zavedenému automatickým pointerem SBIG ST-4. Význam pinů v konektoru je následující:

Mechanické specifikace

Kompaktní a robustní hlava kamery měří pouze 78 × 78 × 80 mm. Hlava je vyrobena z kvalitního duralu CNC obráběním a černě eloxována. Hlava obsahuje USB-B konektor, konektor „Autoguider“ portu, konektor pro ovládání externího filtrového kola napájecí konektor 12 V DC.

Přední strana kamery C1+ není určena přímo pro uchycení adaptéru pro dalekohled nebo objektiv. Na místo něj je vyrobena pro seřiditelnou základnu, na kterou jsou teprve montovány vlastní adaptéry pro dalekohled. K dispozici jsou dva druhy těchto základen pro adaptéry:

• Základna pro adaptéry kamer C1 se závitem M42 × 0,75 (T-závit) a vzdáleností ohniskové roviny (BFD) 18,5 mm.

  BFD 18,5 mm odpovídá kamerám C1 se závitovým adaptérem M42 × 0,75. Pro kamery C1 je k dispozici řada prodlužovacích adaptérů, jako například závitový adaptér M48 × 0,75 nebo M42 × 0,75 (T-závit) s BFD 55 mm, Canon EOS a Nikon bajonet atd. Všechny tyto adaptéry jsou tak kompatibilní také s kamerami C1+.

  Na rozdíl od kamer série C1, u kamer C1+ jsou tyto adaptéry uchyceny na základně se seřiditelnou optickou osou.

• Základna pro adaptéry kamer C2 s BFD 16,5 mm. Tento adaptér obsahuje čtyři závitové otvory M3 ve vzdálenosti 44 mm a také závit M48 × 0,75.

  Poznamenejme, že BFD 16,5 mm odpovídá velkým chlazeným kamerám C2 bez filtrového kola. Je tedy možné použít všechny adaptéry určené pro kamery C2 stejně jako externí filtrová kola.

  Pokud je základna adaptéru použita s filtrovým kolem, neobsahuje pružiny a červíky nutné pro seřizování optické osy. Externí filtrová kola totiž obsahují základny pro seřiditelné adaptéry série C2, které jsou v tomto případě použity.

  Poznámka:

  Samozřejmě není nutné tento adaptér používat s externím filtrovým kole. V tom případě nabízí závit M48 × 0,75 s velmi krátkým BFD pouhých 16,5 mm.

Kamera C1+ se základnou pro adaptéry kamer C1

Kamera C1+ se základnou pro adaptéry kamer C2

Kamera C1+ s externím filtrovým kolem velikosti „XS“

Kamery C1+ mohou být vybaveny stejnými externími filtrovými koly jako kamery série C2. V takovém případě je na kamerách C1+ nutno použít základnu pro adaptéry kamer C2, na kterou je externí filtrové kolo uchyceno.

Pokud je použito externí filtrové kolo, jsou na něm použity adaptéry pro kamery C2 nebo G2 Mark II.

Externí filtrové kolo velikosti „S“ má větší průměr (viz. Externí filtrová kola), vzdálenosti čelní roviny od senzoru jsou ale u všech externích kol identické.

Volitelné příslušenství

Ke kamerám C1+ je nabízena celá řada příslušenství rozšiřujícího funkce kamery a pomáhajícího zabudovat kameru do celé pozorovací sestavy.

Adaptéry dalekohledů

Kamery C1+ mohou pracovat se dvěma druhy adaptérů pro dalekohledy a objektivy:

• Adaptéry pro kamery C1. Tyto adaptéry jsou uchyceny pře závit M42 × 0,75 s BFD 18,5 mm. Na kameře C1+ musí byt namontována základna adaptérů kompatibilní s kamerami C1.

• Adaptéry pro kamery C2. Adaptéry kamer C2 jsou uchyceny na základnu C2 adaptérů dovolující seřizování optické osy. Tato základna je vyrobena na předním plášti externích filtrových kol nebo na samostatné základně, která použita u kamer bez externího filtrového kola. Filtrové kolo nebo samostatná základna adaptérů C2 je uchycena s použitím čtyř závitových otvorů M3 na ploše 16,5 mm od senzoru.

  • Pokud má být adaptér kamer C2 použit bez filtrového kola, je nezbytné použít dva adaptéry současně — nejprve základnu C2 adaptérů pro kamery C1+ a na ní základna seřiditelných adaptérů kamer C2. Nicméně taková kombinace je nadbytečná, i když možná. Většina adaptérů pro kamery C2 existuje i ve variantě pro kamery C1 a jsou tedy použitelné s kamerou C1+ vybavenou základnou pro adaptéry C1.

  • Základna pro seřiditelné adaptéry kamer C2 je vyrobena i na přední straně externích filtrových kol. Externí filtrová kola vyžadují použití základny pro C2 adaptéry na kameře C1+ a poté lze používat všechny adaptéry kamer C2.

Ilustrace kombinací různých adaptérů a filtrových kol je zobrazena na schematu v podkapitole Systém kamer C1+.

Adaptéry pro kamery C1+ se základnou adaptérů kompatibilních s C1

Adaptéry jsou namontovány a základně adaptérů kompatibilních s kamerami C1. Tato základna dovoluje seřizování optické osy.

• T-závit s BFD 55 mm — závitový adaptér se závitem M42 × 0,75, zachovává vzdálenost ohniskové roviny 55 mm.

• M48 × 0,75 s BFD 55 mm — závitový adaptér se závitem M48 × 0,75, zachovává vzdálenost ohniskové roviny 55 mm.

• Bajonet Nikon — standardní adaptér pro objektivy Nikon, zachovává BFD 46,5 mm.

• Bajonet Canon EOS — standardní adaptér pro objektivy Canon EOS, zachovává BFD 44 mm.

Adaptéry pro kamery C1+ se základnou adaptérů kompatibilních s C2 a externím filtrovým kolem

Kamery C1+ používají stejná filtrová kola jako kamery série C2. Externí filtrová kola mají základnu pro seřiditelné adaptéry C2.

• 2 palcový okulárový adaptér — adaptér pro okulárový výtah s průměrem 2 palce.

• T-závit krátký — adaptér s vnitřním závitem M42 × 0,75 mm.

• T-závit s 55 mm BFD — adaptér s vnitřním závitem M42 × 0,75 mm, zachovávající vzdálenost ohniskové roviny 55 mm.

• M48 × 0,75 krátký — adaptér s vnitřním závitem M48 × 0,75 mm.

• M48 × 0,75 s 55 mm BFD — adaptér s vnitřním závitem M48 × 0,75 mm, zachovávající vzdálenost ohniskové roviny 55 mm.

• Bajonet Canon EOS — standardní adaptér pro bajonet objektivů Canon EOS, zachovávající vzdálenost ohniskové roviny 44 mm.

• Bajonet Nikon F — standardní adaptér pro bajonet objektivů Nikon, zachovávající vzdálenost ohniskové roviny 46,5 mm.

Uchycení kamery přímo na montáž

Kamery C1+ jsou vybaveny „stativovým“ závitem (0,25 palce) na spodní straně. Tento závit může být použit k připojení 1,75 palcové „ribiny“ (standard Vixen). Poté je možné kameru, např s fotografickým objektivem, uchytit přímo na rozličné montáže dalekohledů podporující tento standard.

Další možnost je využít čtyř závitů M4, také umístěných na spodní straně hlavy kamery.

Kontejner pohlcovače vlhkosti vyměnitelný bez nástrojů

Kamery C1+ používají stejný kontejner pro silikagel jako větší kamery C2 a kamery C3 a C4 se standardním chlazením. Celý kontejner je možné odšroubovat, takže je možné vyměnit silikagel bez nutnosti sejmout kameru z dalekohledu.

Standardně je s kamerou dodáván kontejner, který nepřesahuje profil hlavy kamery. Je vybaven štěrbinou pro nástroj (nebo např. minci), dovolující povolení a opětovné utažení kontejneru.

Návrh dovoluje použití několika volitelných variant:

• Hermetická zátka se závitem, dovolující zatěsnění vysušeného silikagelu pokud není kontejner bezprostředně zašroubován do kamery.

• Alternativní (poněkud delší) kontejner pro silikagel, navržená tak, aby jej bylo možno odšroubovat (stejně jako zašroubovat a dotáhnout) bez použití nástrojů.

Moravian Camera Ethernet Adapter

Zařízení Moravian Camera Ethernet Adapter dovoluje připojení až 4 kamer Cx libovolného typu na jedné straně a 1 Gbps Ethernet rozhraní na druhé straně. Tento adaptér tak dokáže zpřístupnit připojení kamery Cx s použitím směrovatelného protokolu TCP/IP na prakticky neomezenou vzdálenost.

Zařízení Moravian Camera Ethernet Adapter je detailně popsáno zde.

Podpora software

Vždy používejte poslední verze systémových ovladačů pro Windows i Linux. Starší verze ovladačů nemusí podporovat nové modely kamer, případně nové verze existujících řad.

Pokud je kamera ovládána přes Moravian Camera Ethernet Adapter, vždy se ubezpečte, že firmware v jednotce je aktualizován na nejnovější verzi.

Také vždy používejte polední verzi programu SIPS, starší verze nemusí nové kamery správně podporovat. Pokud používáte ovladače pro programy třetích stran (např. ASCOM nebo INDI), vždy ovladače aktualizujte na polední verzi, která je k dispozici.

SIPS

Program SIPS (Scientific Image Processing System), dodávaný spolu s kamerou, dovoluje kompletní ovládání kamer (expozice, chlazení, výběr filtrů atd.). Také podporuje automatické sekvence snímání přes různé filtry, s rozdílným binningem apod. S plnou podporou ASCOM standardu může SIPS ovládat celou hvězdárnu. Konkrétně montáže dalekohledů, ale také další zařízení (motorová ostření, kopule nebo odsuvné střechy, GPS přijímače apod.).

SIPS zahrnuje nástroje pro automatickou pointaci, včetně tzv. „dithering“ (řízené vzájemné posuny mezi jednotlivými snímky). Jsou podporovány oba způsoby ovládání montáže — přes rozhraní „autoguider“ port (kabel s 6 vodiči) a také „Pulse-Guide API“ programové rozhraní ovladače montáže. Pro velmi kvalitní montáže, schopné sledoval pole bez nutnosti pointace po dobu jedné expozice, podporuje SIPS mezi-snímkovou pointaci pouze na základě porovnávání snímků z hlavní zobrazovací kamery.

Schopnosti programu SIPS nekončí u ovládání kamery a hvězdárny. SIPS obsahuje řadu nástrojů pro kalibraci snímků, práci s 16 a 32 bitovými FITS soubory, zpracování celých množin snímků (např. medián množiny apod.), transformace snímků, export snímků do běžných formátů atd.

Protože prví „S“ ve zkratce SIPS znamená „Scientific“ (vědecký), program podporuje astronomickou redukci snímků a také fotometrické zpracování celých řad.

Program SIPS je zdarma ke stažení z tohoto www serveru. Všechny funkce jsou podrobně popsány v uživatelské příručce, nainstalované s každou kopií programu.

Automatická pointace

Programový systém SIPS dovoluje automatickou pointaci montáže dalekohledu s použitím samostatné pointační kamery. Správně a spolehlivě pracující automatická pointace využívající výhod výpočetního výkonu počítačů PC (např. výpočet centroidu pointační hvězdy z mnoha pixelů dovolující dosažení sub-pixelové přesnosti) není úplně triviální úkol. Tomu odpovídá i množství parametrů, které je nutno programu zadat (nebo nechat automaticky určit).

Nástroj „Guider“ pak dovoluje automatickou pointaci zapínat a vypínat, kalibrovat parametry pointace a přepočítávat je po změně deklinace dalekohledu bez nutnosti nové kalibrace. Nová kalibrace také odpadá po přeložení německé montáže. Okno také zobrazuje časové průběhy zjištěných odchylek pointační hvězdy v obou osách od referenční polohy. Délka vlastního průběhu i rozsah grafů jsou volně nastavitelné, takže jejich zobrazení lze přizpůsobit nepřesnostem a délce periodické chyby dané montáže. Také je zobrazován kompletní záznam o kalibraci, zjištěných odchylkách, provedených korekcích apod. Záznam lze kdykoliv uložit do textového souboru.

Alternativou klasické pointace je mezisnímková pointace, navržená pro moderní montáže, které jsou natolik přesné, že udrží chod se sub-pixelovou přesností po dobu jediné expozice a viditelné nepravidelnosti se objeví až za dobu přesahující několik expozic. Mezisnímková pointace pak provádí jemné opravy polohy montáže mezi jednotlivými expozicemi, což zamezuje „cestování“ snímaných objektů po ploše detektoru během doby pozorování. Tato metoda pointace používá hlavní kameru, nevyužívá další pointační kameru a přirozeně nepotřebuje ani OAG nebo samostatný pointační dalekohled.

Pokročilá rekonstrukce barev z barevných kamer

Barevné snímače mají červené, zelené a modré filtry (Bayerova maska) aplikovány přímo na jednotlivé pixely.

Každý pixel registruje světlo pouze určité barvy (červené, zelené nebo modré). Barevný snímek ale obsahuje informaci o všech barvách v každém pixelu. Je tedy nezbytné dopočítat ostatní barvy z hodnot okolních pixelů..

Existuje řada způsobů jako dopočítat chybějící barvy jednotlivých pixelů — od jednoduchého rozšíření barev do okolních pixelů (tato metoda vede k obrázkům s viditelnými barevnými chybami) přes přesnější metody bilineární nebo bikubické interpolace okolních pixelů až po sofistikované víceprůchodové metody.

Bilineární interpolace poskytuje výrazně lepší výsledky než prosté rozšíření chybějících barev do okolních pixelů a přitom je dostatečně rychlá. Pokud je ale rozlišení optiky blízké velikosti jednotlivých pixelů, u jemných detailů vznikají barevné artefakty, jak ukazuje obrázek dole vlevo.

Víceprůchodová metoda je výrazně pomalejší ve srovnání s jednoprůchodovou bilineární interpolací, její výsledky jsou ale zejména v detailech výrazně lepší. Tato metoda dovoluje využít rozlišení barevných kamer skutečně na maximum.

SIPS nabízí volbu metody interpolace Bayerovy masky v nástrojích „Image Transform“ i „New Image Transform“. Pro rychlé náhledy nebo v případě, že nejmenší zobrazený detail svými rozměry hodně převyšuje velikost jednoho pixelu (ať již vlivem optiky či atmosféry), je rychlá bilineární interpolace dostačující. Pro nejlepší výsledky je ale vhodné použít víceprůchodovou metodu.

Ovladače pro programy třetích stran

Pravidelně aktualizovaný Sofware Development Kit pro Windows dovoluje ovládat všechny kamery z libovolných aplikací, stejně jako z prostředí Python apod.

K dispozici jsou ovladače standardu ASCOM a také ovladače po programové systémy třetích stran (např. TheSkyX, AstroArt, atd.). Navštivte stránku download tohoto www serveru se seznamem všech ovladačů.

Knihovny a ovladače standardu INDI pro 32 bitový i 64 bitový Linux pracující na procesorech x86 a ARM jsou rovněž k dispozici ke stažení. S kamerou jsou dodávány také ovladače pro program TheSkyX pracující pod systémem macOS.